定義：紅外光學(xué)原理的氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關(guān)系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。

原理：由不同原子構(gòu)成的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)其受到相同頻率的紅外線照射時，就會發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強的變化，通過測量紅外線強度的變化就可以測得氣體濃度。

需要說明的是，振動、轉(zhuǎn)動是兩種不同的運動形態(tài)，這兩種運動形態(tài)會對應(yīng)不同的紅外吸收峰，振動和轉(zhuǎn)動本身也有多樣性，因此一般情況下一種氣體分子會有多個紅外吸收峰。

根據(jù)單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團(tuán)，精確判定氣體種類需要看氣體在中紅外區(qū)所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。

在已知環(huán)境條件下，根據(jù)單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類。由于在零下273攝氏度即絕對零度以上的一切物質(zhì)都會產(chǎn)生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關(guān)，因此，同催化元件一樣，為消除環(huán)境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會由一對紅外探測器構(gòu)成。

一個完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成。

紅外吸收原理只能測不同原子構(gòu)成的分子。由于同一分子內(nèi)部運動的多樣性使其具有多種不同的振動頻率和轉(zhuǎn)動頻率，因此，對紅外吸收的分子會有不同個吸收峰。另外，具有相同化學(xué)鍵的分子（如水和酒精分子中的氫氧鍵）會有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。

為什么紅外氣體傳感器不能測量氧氣、氫氣、氮氣等由相同原子構(gòu)成的氣體分子？

舉例： 月亮和地球、地球和太陽靠萬有引力連接，分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒有其它萬有引力干擾則地球軌道將是圓的，實際上上面兩個條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽之間的距離不停地在短半徑和長半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動，只是振動周期長達(dá)一年，在這個過程中，地球處于短半徑點和長半徑點時，它和太陽之間的引力是不同的，即能量級別不同。

同理，在分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由于電子分布的不均衡而不停發(fā)生變化，即振動、轉(zhuǎn)動，而且不同的分子會有獨特的振動、轉(zhuǎn)動頻率，當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時會產(chǎn)生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的（紫外吸收同理）。

以上內(nèi)容中包含紅外吸收的兩個基本條件：諧振、偶極距變化，這兩個條件同時滿足才能產(chǎn)生紅外吸收。

氧氣、氫氣、氮氣等由同一種原子構(gòu)成的分子為什么沒有紅外吸收峰？兩個基本條件：一是氣體分子振動頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個條件容易滿足，第二個條件無可能性。

相同原子構(gòu)成的分子正負(fù)電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結(jié)果是電子在分子中的分布是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特征，其照射不會改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會導(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)成的分子：以水（蒸氣）分子為例，分子中電子的分布偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性，氧那一端呈負(fù)電性，正負(fù)電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零，這是因為氧吸引電子的能力比氫強的緣故。

在與水分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同的紅外線照射時，會使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導(dǎo)致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時會從低能級躍遷到高能級，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。

可以簡單理解：紅外線與相同原子組成的分子相遇時，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒有能量轉(zhuǎn)移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測相同原子構(gòu)成的分子。

非色散紅外吸收氣體傳感器

非色散：白光通過三棱鏡會被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這個三棱鏡就是一個分光系統(tǒng)，能把七色光分開。

有分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即色散型光學(xué)系統(tǒng)，無分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。

非色散系統(tǒng)簡易、可靠、小巧、廉價。平時我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長混合成的光，而單頻率、單波長的光即單色光。

前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相同時才會產(chǎn)生紅外吸收，理論上在設(shè)計氣體傳感器時，我們希望用單色光去照射氣體或者照射后我們用設(shè)置光柵（濾光片）的辦法獲得單色光。

非色散紅外氣體傳感器通常由光源、光學(xué)腔體、濾光片（光柵）、探測器和信號調(diào)理電路構(gòu)成，在傳感器中濾光片和探測器是一體的。

紅外氣體傳感器優(yōu)點：

1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測。

2、全量程。

3、傳感過程本身不會干擾傳感。

紅外氣體傳感器缺點：

1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)致探測器溫度變化進(jìn)而是電性能變化的溫度傳感器，傳感過程復(fù)雜。

要求系統(tǒng)有如下特征：

光源必須有穩(wěn)定的紅外幅射；光學(xué)腔體物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；濾光片及紅外探測器穩(wěn)定。

這些問題，合理的工藝技術(shù)本身能較好的解決，但是制造成本高，導(dǎo)致價格昂貴。

2、選擇性弱。在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測器設(shè)計中，濾光片本身不能實現(xiàn)理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干擾一直存在。

選擇性的問題深層原因在于很多不同的氣體分子會有相同的化學(xué)鍵，即有相近甚至重疊的紅外吸收。

3、粉塵、背景幅射、強吸附及氣、液、固易發(fā)生轉(zhuǎn)換的檢測對象都會對檢測結(jié)果造成影響。

常識補充：

近紅外波長：0.7um~2.0um；

中紅外波長：2.0um~15um。

氣體吸收峰：每一種氣體的吸收峰不止一個，如：甲烷在近紅外1.3um，1.65um；中紅外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等處都有吸收峰。

激光光源：最接近單色光的光源。

我們大概容易想到，同一氣體分子的振動、轉(zhuǎn)動的多樣性導(dǎo)致其有多個吸收峰；含有相同化學(xué)鍵的分子會有相近的吸收峰。因此紅外傳感器的技術(shù)發(fā)展路徑很清楚，單色光源、集成化、微型化、低功耗。

目前最大的問題：近紅外區(qū)只有個別波長有較廉價的激光器做單色光，而且在近紅外區(qū)氣體吸收較弱。在氣體對紅外的強吸收區(qū)中紅外區(qū)，激光器制造工藝復(fù)雜，激光材料、理論及器件未有商業(yè)價值突破，導(dǎo)致中紅外激光器極昂貴，這嚴(yán)重限制了紅外氣體傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

在常見的氣體中目前二氧化碳是紅外原理最強的應(yīng)用，也是基于節(jié)能的最具商業(yè)前景的應(yīng)用，其次是甲烷。

紅外氣體傳感器與其它類別氣體傳感器如半導(dǎo)體式、電化學(xué)式、催化燃燒式等相比具有應(yīng)用廣泛、使用壽命長、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適合氣體多、性價比高等一系列優(yōu)點。其廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。